연소공정에서의 이상진단 전문가 시스템의 구현에 관한연구

원종식,노성덕, 김상욱, 조욱상*,최광호**

서울시립대학교 화학공학과, 수원대학교 환경공학과*,

코오롱엔지니어링 기술연구소**

A Study on the Development of Expert System for Combustion

Process Fault Diagnosis of the Incinerator

Jong-Sik Won,Sung-Duck Roh,Sang-Wook Kim,Wook-Sang Cho*,Kwang-Ho Chae**

Dept. of Chem. Eng., Seoul City Univ., Seoul 130-743, Korea

Dept. of Env. Eng., Suwon Univ., Kyunggi-do 445-890, Korea*

KOLON Engineering Co., Research Center, Kyunggi-Do 449-910, Korea**

1.서 론

환경에 대한 관심이 증대되면서 도시 쓰레기 처리문제가 자주 등장하게 되었다. 기존에 주로 매립에 의한 해결방안에서 침출수 문제와 매립지 선정 문제등 여러 가지 어려움에 부딪히고 있는 실정이다. 따라서 부피감량을 최대로하고, 2차 오염문제를 최소화 할 수 있는 방법으로 소각에 의한 방법이 크게 부각되고 있다.

본 연구는 로타리킬른식 소각로를 대상으로 공정모니터링 시스템을 통해 공정감시 과정을 거치면서 공정이상이 발생하면 총 5가지의 주요인자값을,  접속된 전문가 시스템에 On-line 형태로  전송하여 현장 경험자의 지식을 바탕으로 작성된 Rule을 이용하여  추론과정을 거쳐 제어를 수행하는 진단 및 제어 기능을 포함하는 조업지원용 전문가 시스템을 구현하였다.

2. 대상공정

2.1 공정 개요

본 연구에서 대상으로한 공정은 로타리킬른식 소각로로서  5,000kg/day 의 소각능력을 갖는 Pilot plant 규모의 소각로이다.  주요구성 설비를 살펴보면 1) 소각로의 피소각물 투입설비 2) 연소설비 3) 폐열회수설비 4)배기 가스 처리장치 5) ASH 처리설비 및 보조설비 등으로 분류된다.

2.2 주요 공정영향인자

공정운영상의 주요공정 영향인자는 실험을 통하여 5가지를 결정하였다. 주요공정 영향인자 및 인자간의 상관관계는 아래와 같다.

공정인자	공정영향	설정값	제어수단
로내의 온도	· CO 농도 · 압 력	850℃	·Ram Loader ·연소 공기량 ·Kiln 회전수·Burner
O2 농도	· 압 력 · 온 도	12%	·연소공기량
로내의 압력	· 가스 체류시간 · 온 도	-4mmH2O	·I.D Fan 속도 (Inverter)
Kiln 회전수	· 온 도 · Fly Ash 발생량 · Ash 열작감량	0.3 rpm	·Main Motor (TS Controller)
CO 농도	· 불완전 연소	0 - 30 ppm	·Ram Loader ·Burner ·연소공기량 ·Kiln 회전수·I.D Fan 속도

3. 시스템의 구성

3.1 전문가 시스템 구현 Tool

3.1.1 개 요

본 연구에서는 Exsys, Inc. 의  EXSYSTM이라는 Tool을 사용하여 전문가 시스템을 구현하고자 하였다. EXSYS 는 5000개 까지 Rule을 구성할 수 있으며, 한글처리가 가능하여  현장사용자로 하여금 쉽게 공정을 이해하고,접근 할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

3.1.2 지식표현

지식표현 방법은 Rule-based 방식을 사용하였다.

3.1.3 추론방식

본 연구에서는 후향추론 방식을 사용하여 Rule을 구성하였다.

3.1.4 Rule 예제

본 연구에서 초기에는 Off-line 형태의 Rule 단계를 거치면서 주로 현장 전문가의 지식을 수집하는 데 치중하였으며,  작성된 Off-line 형태의 Rule을 바탕으로 정량화 과정을 거쳐서 실제 On-line에 적용이 가능한 형태로 수정을 하는 방식을 취하였다. 실제로 작성된 On-line 형태의 Rule을 예로들면 다음과 같다.

RULE NUMBER: 7

IF:

[TEMP1] > 810 AND [TEMP1] < 885

and  [TEMP2] >= 850

and  [P]*(-1) >= 1

and  [O2] > 8 AND [O2] < 16

and  [R] > 0.2 AND [R] < 0.4

and  [CO] > 0 AND  [CO] < 30

THEN:

1 20  RAM LOADER STOP 20 SEC.

and  7 400 SEC. BURNER AIR FAN RPM = 400

and  4 20  OIL PUMP STOP 20 SEC.

and  8 10  R/K E/DAMPER CAP OPEN 20 SEC.

3.2 모니터링 시스템

3.2.1 개요

모니터링 시스템 Software는 KDC社의 plantVIEW를 이용하였다. plantVIEW는 plantCAD라는 자체 Drawing 기능을 내장하여 감시, 제어대상을 쉽고, 정확하게 구현할 뿐아니라 Data Base의 연결이 쉽기 때문에 공정모니터링화면 구현시에 장점을 제공하고, 다차원구조의 DB를 이용하여 외부관계형 DB와 쉽게 연결되는 특징을 갖고 있다.

3.2.2 모니터링 화면  구현

plantVIEW를 이용한 화면구성은 공정 전체화면과 소각공정 화면등으로 구성하였으며, 실제 전문가 시스템이 적용된 공정은 소각공정이므로 소각공정화면에 치중을 두어 작성하였다. 작성화면 예는 다음과 같다.

3.3 인터페이스

3.3.1 자료교환 방식

본 연구에서의 공정모니터링 시스템과 전문가 시스템 간의 자료교환은 Text 형식으로 자료를 교환하는 방식을 취하였다.

3.3.2 전체 인터페이스 구성도

최종적으로 작성된 전문가 시스템과 모니터링 시스템간의 인터페이스 구성 아래와 같다.

4. 결과 및 고찰

4.1 가상데이터 적용

실제 공정적용에 앞선 단계로 실제 공정에 가까운 가상 데이터를 이용하여 모니터링 화면상에 구현되는 각종 인자값을 Table 화 하여 모니터링 시스템에 입력하는 과정을 통해 그에따른 공정상태를 관찰하고자 하였다. 작성된 가상데이터는 다음과 같다.

:

.   Port   Record  count    Length

1001   5                18

.   Data

.   AF_1  AF_2  AF_3  RL_1  NRCF  OTH  PI_101  PI_102  DHH

645   534   786   4     344   54   -3      -4      76

643   543   795   4     323   53   -3      -4      75

:

:

.   Signal  Port count

2       1

.   Port    Record count    Length

1000    5               3

.   Data

FD F7 39

FD 8E E7

:

4.2 적용결과

가상데이터를 통해 공정상에 이상이 발생할 수 있는 몇가지 예를 정해 데이터값을 수정하면서 공정변화 추이를 관찰하였다(Table 1).

Table 1. 이상사례와 그에따른 제어값

이 상 사 례	이 상 공 정 값	제 어 값
온도, O2농도	[TEMP1] = 918 [O2] = 18	1 20 RAM LOADER STOP 20 SEC. 2 300 R/K BURNER AIR FAN RPM=300 3 500 COMBUSTIN AIR FAN RPM=500 4 20 OIL PUMP STOP 20 SEC. 5 600 NOSE RING COOLING FAN RPM=600
압력, O2농도	[P] = 5 [O2] = 4	2 700 R/K BURNER AIR FAN RPM=700 7 650 SEC. BURNER AIR FAN RPM=650 3 1000 COMBUSTION AIR FAN RPM=1000
CO농도, 온도	[CO ] = 40 [TEMP2] = 765	7 650 SEC. BURNER AIR FAN RPM=650 1 20 RAM LOADER STOP 20 SEC.

5. 결 론

실제 공정적용 단계에 앞서 가상데이터 적용을 통한 시스템 안정성 및 신뢰도 Test 단계를 거치면서 기대했던 안정적인 공정제어 효과를 얻을 수 있었다.그러나 앞으로 좀더 세분화된 rule을 구성할 필요성을 느끼며, 설명기능 강화를 통하여 현장 조업자들로 하여금 본 시스템에 대한 신뢰도를 향상시켜야 한다고 본다. 그리고 현재까지의 연구과정에서 전제로 한 것은 계기 오작동 여부를 무시하고 작성되었기 때문에 이 점에 대해서도 앞으로 계속적인 연구가 진행될 예정이다.

6. 참고문헌

1. 신동필, □추론의 병렬처리와 전문가 시스템 개발에 관한 연구□, 한국과학기술원 연구보고서(1988).

2. Jae Kyu Lee, Jay Liebowitz, Young Moon Chae, □Critical Technology□, Proc. of the 3rd World Cong. on Expert Systems, pp 993-999,Cognizant Communication Corp. Seoul, Korea(1996).

3. Efraim Truban, □Expert Systems and Applied Artificial Intelligence□,pp 185-187,467-469,Macmillan Publishing Co.(1992).

4. Judith M. Hushon, □Expert Systems for Environmental Applications□, ACS Symposium Series 431, pp 139-145,  Roy F. Weston, Inc.(1990).